de.wedoany.com-Bericht: Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung der Universität Nottingham hat in Echtzeit auf atomarer Ebene eine reversible Metalltrennung in Platin-Nickel-Nanopartikeln beobachtet und bestätigt, dass diese dynamische Struktur eine hohe katalytische Aktivität für die elektrochemische Wasserspaltung zur Wasserstoffproduktion aufweist. Das Team stellte Nanopartikel her, die nur einige Dutzend Platin- und Nickelatome enthielten, und entdeckte mithilfe hochauflösender Elektronenmikroskopie, dass die Effizienz des Katalysators für die Wasserstoffentwicklungsreaktion deutlich steigt, wenn die beiden Metalle getrennt werden und eine atomare Grenzfläche beibehalten.
Die traditionelle Thermodynamik geht davon aus, dass homogen gemischte Legierungssysteme dazu neigen, einen gleichmäßigen Zustand beizubehalten, ähnlich wie sich Kaffee und Milch nach dem Mischen nicht spontan trennen lassen. Diese Studie stellt jedoch diese Erwartung auf den Kopf. Dr. Emerson Kohlrausch, der die experimentellen Arbeiten an der School of Chemistry der Universität Nottingham leitete, sagte: „Als wir die Platin-Nickel-Nanopartikel zunächst unter dem Elektronenmikroskop betrachteten, sahen wir, dass die beiden Atomtypen miteinander vermischt waren, wie man es von einer Legierung erwartet. Nach nur wenigen Sekunden begannen sich die beiden Metalle jedoch vor unseren Augen voneinander zu trennen. Dies war eine erstaunliche Beobachtung, da sie scheinbar das traditionelle thermodynamische Verhalten verletzt.“
Dieses Phänomen entsteht dadurch, dass der schnelle Elektronenstrahl einen Teil seiner Energie auf die Probenatome überträgt, was die Atome dazu anregt, sich innerhalb des Partikels neu anzuordnen und in der Platin-Nickel-Intermetallverbindung zur Metalltrennung führt. Sobald sich das Nickel vom Platin trennt, nimmt es Sauerstoffatome aus der Umgebung auf und bildet ein Oxid. Professor Andrei Khlobystov, Professor für Nanomaterialien an der Universität Nottingham, sagte: „Dies erzeugt Nanopartikel, die aus zwei Hälften bestehen – Platinmetall und Nickeloxid, getrennt durch eine atomar definierte Grenzfläche. Wir haben neuartige Hybridpartikel geschaffen und ihre Bildung in Echtzeit beobachtet, was beispiellos ist.“
Um die Position jedes Atoms genau zu verfolgen, stellte das SALVE-Projekt der Universität Ulm in Deutschland ein spezielles Mikroskop zur Verfügung. Professorin Ute Kaiser, die das Projekt leitet, sagte: „Es war sehr wichtig, Bedingungen zu schaffen, die es ermöglichen, die Position jedes Atoms zu verfolgen. Um dies zu erreichen, verwendeten wir das dünnstmögliche Material zur Trägerung der Nanopartikel – Graphenblätter – und kontrollierten sorgfältig die Energie und den Fluss des Elektronenstrahls.“
Bemerkenswert ist, dass der Metalltrennungsprozess reversibel und wiederholbar ist – durch Änderung der Bedingungen können sich die Metalle wieder zu einer Legierung vermischen. Dr. Emerson Kohlrausch sagte: „Diese Partikel verhalten sich nicht wie starre feste Objekte, sondern eher wie lebende Organismen, die auf ihre Umgebung reagieren. Dies motiviert uns, ihre Dynamik für die Katalyse zu nutzen.“
In anschließenden Katalyseexperimenten untersuchte das Forschungsteam die Wasserstoffproduktion durch elektrochemische Wasserspaltung mit Platin-Nickel-Partikeln. Dr. Jesum Alves Fernandes von der School of Chemistry der Universität Nottingham sagte: „Was diese Partikel so effektiv macht, ist die Zusammenarbeit zwischen den beiden Materialien nach der Trennung. Platin und Nickeloxid spielen bei der Wasserspaltung jeweils unterschiedliche Rollen, und die gemeinsame atomare Grenze ermöglicht eine ultimative Zusammenarbeit zwischen ihnen.“ Dieser Synergieeffekt macht das Material zu einem der effektivsten Katalysatoren für die Wasserspaltung.
Die Studie wurde von der Universität Nottingham in Zusammenarbeit mit der University of Birmingham, Diamond Light Source und der Universität Ulm in Deutschland durchgeführt. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Advanced Materials“ veröffentlicht. Neben der Wasserstoffproduktion könnten diese Erkenntnisse wichtige Auswirkungen auf das Design von Katalysatoren für zukünftige Energieumwandlung, chemische Herstellung und nachhaltige industrielle Prozesse haben.
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